氧化铈纳米颗粒促成骨分化及其对相关致病菌抗菌作用的研究进展

铈（Ce）是一种稀土元素（原子序数58），属于元素周期表中的镧系元素，主要以氧化铈（CeO2）的 形 式 存 在［1-2］。CeO2的性质主要由其独特的立方萤石晶格结构决定，在此结构中存在大量的氧空位。氧空位形成通常伴随着2个电子在Ce原子上的局域化，使Ce的氧化物同时包括还原态CeO2（Ce4+）和 氧 化 态Ce2O3（Ce3+）2种 状态［2-4］。Ce3+和Ce4+同时存在可模拟氧化还原反应使氧化铈纳米颗粒（CeO2-nanoparticles，CeO2-NPs）同时表现出超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和过氧化氢酶（catalase，CAT）模拟活性［5］。研究［6］表明：Ce的氧化物可以作为一种纳米酶，发挥抗菌、抗癌、促成骨和促血管生成等多重功能。研究［7］显示：CeO2-NPs在骨支架改进、药物和基因传递载体及标记技术等方面均有应用。研究［8］显示：CeO2-NPs通过多种机制显示其抗菌作用，如可通过触发细胞内过量活性氧（reactive oxygen species，ROS）以 抵 抗 病 菌 等。随着生物纳米技术应用于医学领域的发展，针对Ce及其氧化物的研究逐渐深入。现对CeO2-NPs在促进成骨细胞（osteoblast，OB）分化、抵抗相关致病菌的作用及不足进行综述，为以Ce为基础治疗剂的开发和研究提供新的思路。

1 CeO2-NPs的促成骨作用及其机制

CeO2-NPs因其抗氧化能力被认为是有效的ROS清除剂，ROS在维持骨稳态平衡过程中发挥着重要作用，即调控破骨细胞（osteoclast，OC）的分化成熟和成骨细胞的信号转导［9］。CeO2-NPs可以保护细胞免受氧化应激损伤，通过调节细胞中ROS水平，调控骨平衡，进而促进骨形成。

CeO2-NPs在成骨细胞分化过程中可影响骨髓间充质干细胞 （mesenchymal stem cells，BMSCs）、OB和 软 骨 细 胞 活 性。研 究［10-11］显 示：Ce对成骨的积极作用与骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）信 号 有 关，在MC3T3-E1成骨实验中，Ce可以通过调控OB基因从而影响MC3T3-E1细胞的增殖、成骨分化和矿化功能，也可通过转化生长因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）/BMP信 号 通 路 调 控BMSCs成骨。也有研究［9］表明：经CeO2-NPs处理的OC使还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶1（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase 1，NOX1）表达增加和ROS水平升高，进而增强核因子κB受体活化因子配体（receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL）信号通路促进OC分化，增强骨吸收能力。上述结果为Ce的骨代谢机制提供了新的证据，也为今后CeO2-NPs的合理应用提供了新的思路。

CeO2-NPs的抗氧化性能使其在骨疾病和骨组织工程领域具有广阔的应用前景，如生物植入物表面的CeO2-NPs涂层可促进OB的增殖［12］。相关研究［13］表 明：CeO2-NPs涂 层 在 细 胞 增 殖、碱 性 磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）活性和钙沉积活性等方面促进了BMSCs的成骨行为。一项体内动物实验［14］研究了表面Ce4+/Ce3+比值对CeO2-NPs涂层种植体周围骨形成和矿化的影响，证实新骨组织的形成和矿化程度取决于CeO2-NPs表面Ce4+/Ce3+比值。然而，CeO2-NPs对骨再生机制尚未完全阐明，需要进一步研究证实。

CeO2-NPs可以干预骨重塑过程，影响OB功能。新骨的形成与CeO2-NPs表面Ce4+/Ce3+比值有密切关联［15］。Ce4+/Ce3+比值与骨整合程度成正比，Ce4+/Ce3+比值升高，CeO2-NPs显示出其催化活性，清除骨组织中过量ROS，加快OB分化；Ce4+/Ce3+比值降低，ROS水平升高，促进了OC形 成［5，9］。生 理 性ROS水 平 在OB和OC平 衡 中 起着至关重要的作用，为了维持这种有限的平衡，在生物系统中不断地产生和清除ROS。骨平衡破坏可导致ROS的极度集中，OB中ROS过量产生会导致脂质过氧化、蛋白质变性和核酸损伤，最终OB凋亡，破坏成骨过程。因此可以通过调控CeO2-NPs表面Ce4+/Ce3+比值有效调节ROS的产生和清除，表现出类似CAT的活性，进而降低细胞中过氧化氢（H2O2）水平，保护细胞以免发生氧化应激反应，产生有利的新骨形成和骨整合环境，进而达到新骨形成的目的。

研究［11］显示：较高的Ce4+浓度可上调巨噬细胞抗炎细胞因子白细胞介素10（interleukin-10，IL-10）和白细胞介素1受体拮抗剂（interleukin-1 receptor antagonist，IL-1RA）、骨诱导分子骨形态发生蛋白2（bone morphogenetic protein 2，BMP2）和转化生长因子1（transforming growth factor-1，TGF-1）表达促进成骨，提示调节Ce价态可能是改善成骨特性和减轻炎症反应的一种有效方法。M2巨噬细胞表型用于抗炎和组织再生，而M1巨噬细胞表型可促炎和导致组织破坏。CeO2-NPs表面Ce4+/Ce3+比值升高可以促进巨噬细胞极化为M2表型，并使抗炎细胞因子IL-10水平升高。CeO2-NPs表面Ce4+/Ce3+比值降低促使巨噬细胞向M1表型极化，并相应地增加了促炎细胞因子肿瘤坏死因子α（tumor recrosis factor-α，TNF-α）的产生。通过调控CeO2-NPs中Ce的价态，升高Ce4+/Ce3+比值可以有效地调节干细胞的成骨能力和巨噬细胞的M2极化，从而促进新骨形成和骨整合［5，12］。综上所述，通过调控CeO2-NPs表面Ce4+/Ce3+的比值，可调节巨噬细胞抗炎和促炎细胞因子的平衡，并创造抗炎促成骨的微环境［5，8］。

CeO2-NPs可以通过激活间充质干细胞TGF-β/BMP信 号 通 路 促 进 成 骨，CeO2-NPs激 活BMP信号通路并与骨形态发生蛋白受体（bone morphogenetic protein receptor，BMPR）相 互 作用，进一步激活磷酸化Smad蛋白（p-Smad1/5/8）表 达［11］。p-Smad1/5/8与Smad4结 合 导 致 成 骨 主控转录因子Runx2上调，Runx2在OB分化早期诱导成骨细胞标记基因Ⅰ型胶原蛋白（collagen typeⅠ，ColⅠ）和BMP2，在OB分化后期诱导ALP和骨钙素（osteocalcin，OCN），促使BMSCs向OB分化［16］。

CeO2-NPs在酸性环境中可以使OC中ROS水平明显升高，抑制OB分化和矿化，增强OC活性，导致促炎性骨吸收［1］。OC活化的2条主要信号通路是丝裂原活化蛋白激酶和核因子κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）蛋白信号通路。ROS作为细胞内信使分子激活下游的丝裂原活化蛋白激酶和NF-κB信号通路，较低浓度CeO2-NPs激活活化T细胞核因子1（nuclear factor of activated T cell 1，NFATC1）和下游与OC生成相关的基因表达，进而双向调节RANKL依赖的OC生成［1］。研究［1］表明：低 浓 度CeO2-NPs（4.0～8.0 mg·L－1）促 进OC形成，表现为NFATC1及c-Fos表达水平升高、F-actin环形成和骨吸收增加；但较高浓度（＞16.0 mg·L－1）CeO2-NPs可 通 过 降 低B细 胞 淋 巴瘤-2（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）蛋白表达和上调裂解的含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶3（cleaved cysteinyl aspartate specific proteinase-3，cleaved caspase-3）蛋白表达抑制OC分化，促进其凋亡。

2 CeO2-NPs的抗菌作用及其机制

CeO2-NPs作为一种抗菌剂特别是其对细菌病原 体 的 抗 菌 作 用，受 到 广 泛 关 注［1，16］。研 究［17-20］表明：CeO2-NPs对革兰阳性病原菌（金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌）、革兰阴性病原菌（大肠杆菌和铜绿假单胞菌）和真菌等微生物均表现出良好的抗菌活性，但其抗菌作用具有明显的差异性。革兰阳性和革兰阴性病原菌作用的差异主要与其细胞壁的结构和致密性不同有关。革兰阳性菌有较厚的蜡状细胞壁，而革兰阴性菌的结构略复杂，除薄层的肽聚糖外，还具有一层磷脂外膜，其中含有部分磷酸化的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS），有助于增加其细菌外膜上的负电荷，具有比革兰阳性菌更强的耐药性［21-23］。CeO2-NPs对多种细菌，如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等，也表现出一定的抗菌效果，因此其有望成为一种潜在的抗菌剂，用于难治性病原菌的抗感染治疗。

CeO2-NPs作为新型治疗药物在治疗相关致病菌引起的疾病和对抗其他疾病方面有着广阔的前景，如与壳聚糖交联海藻酸盐生物聚合物膜形成一种新型的创面敷料在牙周炎中的抗菌应用，Ce和银盐按不同的阳离子掺杂量混合制备具有抗菌性能的尿素聚氧化乙烯（ureasil polyethylene oxide，U-PEO）杂 化 材 料［8，24］。与 传 统 抗 菌 药 物 比 较，CeO2-NPs具有独特的抗菌机制，并有望克服目前耐药性细菌的挑战。

除抗氧化特性外，CeO2-NPs还表现出促氧化行为，可以诱导氧化应激反应，对相关细菌表现出抗菌作用。研究［20］显示：CeO2-NPs可通过多种机制显示其抗菌作用，但大多数CeO2-NPs通过触发细胞中过量ROS产生以抑制病原菌。研究［25］显示：CeO2-NPs对细菌的毒性可能是由于表面Ce3+和氧空位的存在，其特性可能有助于产生ROS引起氧化应激，同时破坏细菌细胞壁，分解生物有机分子，并阻碍其相关功能，最终导致细菌死亡。尽管目前对CeO2-NPs抗菌活性的研究较多，但关于其确切机制、毒性及体内研究尚未完全阐明。

CeO2-NPs可能的抗菌机制主要包括膜破坏和氧化损伤及CeO2-NPs携带正电荷与携带负电荷的细菌相互作用。在CeO2-NPs抗菌过程中2种机制同时进行，CeO2-NPs与细菌表面直接接触引起细胞中ROS水平升高，CeO2-NPs携带正电荷而细菌携带负电荷，二者产生电磁吸引，CeO2-NPs吸附至细菌表面后，随着孵育时间的延长，其Zeta电位可能由正逐渐转至负，而CeO2-NPs吸引力确保纳米颗粒与细菌直接接触，导致氧化损伤和细菌细胞膜不再完整，最终诱导细菌死亡［26］。综上所述，CeO2-NPs与细菌细胞膜之间的静电相互作用是CeO2-NPs抗菌机制的重要环节。以CeO2-NPs对革兰阳性菌大肠杆菌的抗菌作用为例，首先进行吸附，大肠杆菌与CeO2-NPs接触后，其表面携带负电荷，携带正电荷的CeO2-NPs可通过静电吸引吸附至细菌细胞膜上，进而通过诱导氧化应激和破坏膜结构干扰营养物质的转运并影响细菌的生存能力，最终诱导大肠杆菌死亡［27］。

CeO2-NPs吸附至细胞膜后，通过2种可能的方式影响细菌的生存能力，一是诱导氧化应激，二是干扰营养物质的转运功能［27］。CeO2-NPs氧化应激可能归因于Ce4+和Ce3+之间的可逆转换。细胞可通过胞内抗氧化剂使细胞免受氧化应激的损伤并使ROS保持较低水平，CeO2-NPs吸附至细菌外膜表面时，可能会与脱氢酶等介体结合干扰细胞呼吸，CeO2-NPs可催化ROS产生，破坏系统的清除机制，ROS和自由基的水平升高，氧化应激诱导成功［27-28］。CeO2-NPs也可通过干扰营养物质运输功能达到抗菌目的。CeO2-NPs吸附至细菌外膜，因纳米粒子与膜之间的静电作用非常强，使其能够在膜表面停留，靠近细菌细胞膜表面的Ce4+原子被还原为Ce3+，快速释放ROS，脂质或蛋白质等细菌细胞膜的主要成分受到氧化压力，使细菌外膜形成类中膜结构，改变DNA复制和细胞分裂等功能［29］。CeO2-NPs释放出 的Ce离子可以 与 细菌外膜上具有营养物质运输功能蛋白质中的巯基（-SH）发生反应。CeO2-NPs与膜蛋白巯基相互作用，导致蛋白质变性，降低细菌细胞膜的通透性，细胞质内生物有机分子功能失调，细菌新陈代谢和生理反应发生异常，进而导致其死亡。形状不规则或表面粗糙的CeO2-NPs有棱角，可能会对细菌造成物理损害，细胞壁损伤。因此，CeO2-NPs吸附至细菌细胞膜上后，既可促进ROS的产生又可造成细菌细胞壁的物理损伤［18］。

CeO2-NPs对细菌的毒性较为复杂，是多个因素综合作用的结果。毒理学行为的差异既取决于CeO2-NPs的特性，也取决于不同的细菌菌株。细菌所处多种外部环境对CeO2-NPs的抗菌活性也有显著影响。当CeO2-NPs具有较大表面积、较高活性和较高浓度时，其具有较强的毒性［31］，但如何控制CeO2-NPs比表面积尚未完全阐明。

3 CeO2-NPs的纳米医学方面应用

ROS是生物系统和自然环境中产生的强氧化剂，而CeO2-NPs是细胞中ROS的有效清除剂［6，31］。研究［32］显示：CeO2-NPs可以清除细胞中的ROS，包括H2O2和自由基，CeO2-NPs也可以表现出类似氧化酶的活性，促进细胞中ROS产生。CeO2-NPs具有抗氧化活性，使CeO2-NPs在治疗由ROS引起的疾病方面具有较大潜力，如视网膜变性、心血管疾病和神经变性等。CeO2-NPs还可诱导干细胞定向生长，提高聚合物支架表面的生物活性；同时也表现出良好的生物相容性，甚至在抗肿瘤方面对正常细胞也起到一定的保护作用［5］。

过量的ROS在癌症等多种疾病发病机制中发挥作用，在不同类型癌症的体外和体内模型中，CeO2-NPs已被证实具有选择性抗癌活性。研究［33］表明：癌细胞经CeO2-NPs处理后，活化的细胞毒性T淋巴细胞（CD8+T细胞）释放出更多效应分子和细胞因子，包括白细胞介素2（interleukin-2，IL-2）、TNF-α、颗粒酶B和穿孔素，上述炎症因子释放有助于增强癌症的免疫治疗效果。CeO2-NPs表面的Ce4+/Ce3+比值和肿瘤微酸碱环境会影响抗氧化剂或促氧化剂活性，细胞类型或细胞微环境也会对细胞毒性产生不同的影响，但其具体的影响机制还需进一步探讨。

CeO2-NPs具有清除组织微环境中活性物质、抑制炎症、降低细胞因子水平和提供细胞保护的功能，因此可能在组织中发挥抗炎作用［34］。高水平ROS可导致慢性炎症发生，进而引发免疫紊乱，并导致不可逆转的器官损伤。CeO2-NPs的抗氧化活性可以减轻炎症，保护细胞或组织免受损害，如CeO2-NPs被用来增强应用皮肤替代物治疗的疗效并提高伤口修复能力，清除细胞中过量的ROS以缓解横纹肌溶解所致的急性心肌损伤和脓毒症所致的急性肾损伤等［35-37］。

4 总结与展望

CeO2-NPs因其良好的生物相容性和有效的抗菌性能及促成骨特性成为组织工程材料研究的新热点。本文作者对CeO2-NPs现有的相关研究进行总结、概括和分析，对CeO2-NPs的抗菌和促成骨分化作用及其机制进行了深入的探讨。CeO2-NPs是一类具有潜在治疗价值的抗氧化剂纳米颗粒，其在骨组织工程领域及抗感染治疗领域具有广阔的应用前景。